| Название: | Транспорт в низкоразмерных системах: электронные корреляции и туннельные явления |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-202 - Полупроводники |
| Ключевые слова: | Квантовые ямы и проволоки, магнитные примеси, разбавленные магнитные наноструктуры, электрон-электронное взаимодействие, вязкость, туннелирование |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Аверкиев,НС |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 17-12-01182 |
Электрон-электронные и спин-спиновые корреляции, вызванные взаимодействием электронов друг с другом и их взаимодействием с магнитными примесями, оказывают существенное, а нередко определяющее влияние на физические процессы в низкоразмерных системах, таких как квантовые ямы, моноатомные слои (графен), квантовые проволоки и квантовые точки. В наноприборах (таких как туннельные диоды, квантово-каскадные лазеры, флеш-память, одноэлектронные транзисторы и др.) потенциальные барьеры оказываются весьма узкими и на первый план выдвигаются также туннельные эффекты, изучение которых становится принципиально значимым для физики наноструктур. Включение в структуру магнитных примесей, обладающих локализованными состояниями, туннельно связанными с делокализованными состояниями, позволяет увеличить функциональность материалов, влияя на их магнитные и транспортные свойства.
В рамках настоящего проекта мы планируем теоретически изучить роль электронных и спиновых корреляций в транспортных и магнитных свойствах наноструктур (в частности, структур, в которых ключевую роль играют туннельные явления). Проект содержит 7 взаимосвязанных задач:
1. В последние годы сильно возрос интерес к явлениям, обусловленным вязкостью двумерного электронного газа, в котором электрон-электронные столкновения играют ключевую роль. Мы планируем рассчитать теплопроводность и термоэлектрические коэффициенты вязкой электронной жидкости в высококачественных двумерных структурах, находящихся в перпендикулярном магнитном поле.
2. Линейное магнетосопротивление неоднократно наблюдалось в различных материалах с несколькими видами носителей. В высококачественных структурах характерное время релаксации импульса электронов и дырок может быть велико сравнительно со временами их свободного пробега относительно межчастичных столкновений. Мы планируем развить гидродинамическую теорию магнетотранспорта в системах с несколькими видами носителей с учетом как вязкости, так и процессов рекомбинации частиц.
3. Различные методы диагностики показывают, что в высококачественных структурах с квантовыми ямами существуют дефекты большого радиуса, возникающие при выращивании гетероструктуры из-за неидеальности подложки. При наличии магнитного поля и частых межчастичных столкновений транспорт осуществляется путем формирования вязкого течения, обтекающего эти диски. В рамках проекта планируется изучить течение жидкости двумерных электронов в образце, содержащем диски. Это позволит рассчитать магнетоспротивление и коэффициент Холла в таких образцах.
4. В отклике двумерного электронного газа со сверхвысокой подвижностью на радиочастотное излучение наблюдается узкий резонанс при частоте внешнего поля, равной удвоенной циклотронной частоте электронов. Можно думать, что наблюдаемый резонанс обусловлен зависимостью коэффициентов вязкости от магнитного поля и частоты. Мы планируем изучить временную дисперсию коэффициентов вязкости и объяснить наблюдавшиеся явления.
5. Мы планируем дать теоретическое объяснение недавним экспериментам, в которых изучались транспортные свойства туннельно связанных с контактами нанотрубок с присоединенными к ним магнитными органическими молекулами. Были обнаружены воспроизводимые резкие скачки кондактанса трубки при медленном изменении магнитного поля, которое выстраивает магнитные моменты молекул параллельно друг другу. В рамках проекта будет построена полная теория явления, учитывающая эффекты кулоновской блокады и резонансное рассеяние электронов трубки на молекулах.
6. Наличие неоднородных топологически нетривиальных распределений магнитных примесей с отличным от нуля топологическим индексом, например, магнитных скирмионов, приводит к асимметрии рассеяния носителей заряда, что может вызвать появление тока в направлении, перпендикулярном к приложенному электрическому полю (топологический эффекта Холла). В рамках проекта будет вычислено дифференциальное сечение рассеяния электрона на одиночном скирмионе при произвольном значении константы обменного взаимодействия электрона с магнитными примесями, что позволит найти холловскую проводимость путем решения кинетического уравнения Больцмана.
7. Планируется теоретическое исследование влияния туннельной гибридизации между делокализованными состояниями электронов в графене (или графеноподобных ван-дер-ваальсовых гетероструктурах) и локализованными состояниями в магнитных адатомах на спин-спиновые корреляции и косвенное обменное взаимодействие между спинами адатомов. Мы также планируем исследовать электронный транспорт между двумя туннельно связанными ван-дер-ваальсовыми двумерными гетероструктурами, разделенными узким слоем диэлектрика.
Ожидаемые результаты
С уменьшением размеров электронных устройств, обусловленным бурным развитием нанотехнологий, на первый план выдвинулись проблемы, связанные с межэлектронным взаимодействием. Исследование вызванных им электрон-электронных и спин-спиновых корреляций и их влияния на транспортные свойства стало одним из главных направлений современной физики твердого тела, в частности, физики низкоразмерных систем. В наноприборах потенциальные барьеры оказываются весьма узкими и на первый план выдвигаются также туннельные эффекты, изучение которых становится принципиально значимым для физики наноструктур. Изучение транспорта в низкоразмерных системах с магнитными примесями также представляется весьма актуальным, в частности, в связи с недавним обнаружением в двумерных магнитных материалах конфигураций намагниченности с отличным от нуля топологическим индексом – скирмионов. Рассеяние электронов на таких объектах является асимметричным, что существенно влияет на транспортные свойства системы. Таким образом, заявленное в проекте теоретическое исследование описанных выше физических явлений, а также их взаимного влияния, является, на наш взгляд, одним из приоритетных направлений в современной физике наноструктур.
В течение первого года выполнения проекта будет построена теория магнетосопротивления двухкомпонентной системы в гидродинамическом режиме: будет получено аналитическое выражение для сопротивления двухкомпонентной системы в гидродинамическом режиме как функция магнитного поля. Будут изучены транспортные свойства нанотрубок с магнитными молекулами: будет найден кондактанс трубки как функция медленно меняющегося со временем магнитного поля и получены формулы, описывающие магнетосопротивление двухкомпонентной системы как функции магнитного поля. Кроме того, будет получено точное выражение для сечения рассеяния электрона на одиночном магнитном скирмионе с использованием метода фазовых функций для произвольной величины константы обменного взаимодействия электрона с магнитными примесями.
В течение второго года будут найдены аналитические выражения для кинетических коэффициентов электронной жидкости в магнитном поле в гидродинамическом режиме и построена теория линейного отклика вязкой заряженной жидкости на переменное электрическое поле; будет объяснен наблюдавшийся на частоте, равной удвоенной циклотронной частоте, пик в отклике системы на высокочастотное внешнее поле; будет рассчитана холловская проводимость в области кроссовера топологического эффекта Холла в образце со случайно расположенными скирмионами.
Наконец, в течение третьего года будет построена аналитическая теория вязкого обтекания дискообразных дефектов замагниченной электронной жидкостью и объяснено наблюдавшееся в опытах гигантское отрицательное магнетосопротивление в структурах с такими дефектами; будет получено выражение для энергии взаимодействия косвенного обменного взаимодействия в двуслойном графене и графеноподобных материалах, учитывающее наличие запрещенной зоны; будут выявлены особенности туннельного транспорта между двумя туннельно связанными слоями графеноподобных структур.
